Мирнов Енергия из воды 2007

бы утром свекольные хозяева не забили тревогу − пропал эшелон. Факт установили по зеленой ботве на краях угольного бункера. То-то, − сказали энергетики − а мы-то думали, что мокрый уголь попался. КПД станции несколько снизился. Все горит, если как следует нагреть. Кроме камней и воды. А обогреть и защитить с каждым днем нужно все большее и большее число людей. Не все страны, как Россия, уменьшают количество своих жителей. Многие, особенно в Азии, Африке, Латинской Америке напротив, увеличивают и увеличивают. На рис.1 приведена динамика роста народонаселения мира в ближайшем прошлом и по оценкам специалистов в ближайшем будущем.

Рис.1. Рост народонаселения (млрд. чел)

Еще одно важное обстоятельство усугубляет энергетическую проблему растущего Человечества – неравномерное распределение потребителей. Во второй половине ХХ века 85% энергетических ресурсов потреблялись 15% населения Земли. Явление это в кругу специалистов получило название «энергетический империализм». На рис.2, заимствованном автором из книги Е.П. Велихова, А.Ю. Гагаринского др. «Россия в мировой энергетике XXI века» [3], приведено это распределение и его эволюция: по горизонтали

– годовая мощность энергопотребления на одного человека в, так называемых, ТНЭ*, а по вертикали – количество людей,

* ТНЭ – тонна нефтяного эквивалента (1т примерно соответствует постоянному потреблению тепловой мощности – 1500 Вт или примерно 500 Вт электроэнергии на человека)

11

потребляющих соответствующую мощность. В конце ХХ века отчетливо видно существование двух энергетических цивилизаций. Различие постепенно стирается в XXI веке, но при росте полного энергопотребления в 4 раза за 60 лет!

Рис.2.Временная эволюция структуры энергопотребления жителями Земли [3]

«Золотой миллиард» – население экономически развитых стран (среднестатистический житель России принадлежит к нему) – сегодня выбрасывает в атмосферу углекислый газ, двуокись серы и другие продукты своей энергетической жизнедеятельности за всех «неимущих». И, похоже, не собирается что-то менять в своем поведении. Например, главный «загрязнитель» – США – пока не присоединились к соответствующей конвенции на ограничение выбросов. «Неимущие» между тем быстро «богатеют» и уже не велосипед, а автомобиль становится семейным идеалом у миллиардов жителей Юго-Восточной Азии и Китая. Легко видеть, что неравномерность энергопотребления постепенно выравнивается. Галопирующая цена нефти – количественный показатель этого процесса. Но с ростом потребления углеводородов будет расти и выброс парниковых газов! А с ними, как убеждают нас специалисты, перегрев земной поверхности. Плохо это или хорошо? Некоторые легкомысленно полагают, что для России не

12

так уж и плохо – сэкономим на отоплении. Следовало бы их предостеречь. Глобальные катаклизмы потому так и называются, что охватывают весь Глобус (т.е. земной шар). Предвидеть все их последствия нам пока не дано. Рис.3, заимствованный автором из [1], демонстрирует динамику роста средней температуры Северного полушария в прошлые века и в наши дни параллельно с ростом парциального давления СО2.

Рис.3. Временная корреляция содержания СО2 и средней температуры Земли (∆Т в 0К) в Северном полушарии [1]

Специалисты спорят, что означает рост температуры. Результат парникового эффекта – перегрева Земли вследствие термоизоляции ее поверхности слоем СО2, не пропускающим ее инфракрасное излучение обратно в Космос? Или же это естественные колебания вблизи равновесия? Для парникового эффекта что-то рано. Не исключен, однако, и худший вариант – земная экосистема уже находится на грани устойчивости и сравнительно малое воздействие наших загрязнений во много раз усиливается, например, лесными пожарами в Европе или, что еще хуже, на Амазонке, где их никто не тушит. Из обзора С.В. Путвинского «Возможна ли будущая мировая энергетическая система без ядерного синтеза?» [4] (статья написана популярно и

13

заведомо доступна пытливому читателю) следует, что «нормальный» уровень СО2, существовавший последние 1000 лет на Земле, уже задерживал до 0.7% солнечной радиации, поднимая земную температуру в среднем на 100С. Без него северные реки оставались бы на лето замерзшими. Добавление к 0,7% еще 0,2% (рис.3), по-видимому, не смертельно, но уже заметно. Специалисты утверждают, что допустимый предел человеческого вмешательства в энергетику Земли 1% от уровня солнечной радиации. С точки зрения физиков, числа 1 и 0,5 – уже одного порядка.

«Оптимисты» успокаивают: нефть с газом скоро кончатся и всем снова станет хорошо – опять пересядем на велосипеды. Не пересядем. После войны в Берлине (автору случилось там быть) в воздухе стоял отвратительный сладковатый запах автомобильных выхлопов. Старшие объяснили: сладковатый перегар – выхлоп синтетического бензина. Германия, не имевшая нефти, вела войну на синтетическом бензине, получаемом перегонкой бурых углей, которых было в достатке! Первые годы после войны этот бензин и был в ходу. Потом хлынула дешевая нефть и о нем забыли. Похожее после войны было и в Москве. Хлеб развозили фургоны, у которых сбоку было приделано что-то вроде печки. Водитель иногда вылезал, подкладывал снизу чурки и ехал дальше к изумлению окружающих. Это была сухая перегонка дерева. Газ – продукт перегонки – поступал в двигатель и автомобиль катил, хотя и не очень быстро. Наконец, сегодняшняя Бразилия, где кюветы дорог засажены сахарным тростником. Не в чай – это опасно, а для получения из него спирта и добавления в бензин, примерно 50/50. Экономия, по-видимому, оказывается значительной – почти все авто попахивают как самогонные аппараты. В чем «экологическая чистота» такого вида сжигания органики? Растения с участием Солнца (опять же термоядерный реактор!) преобразуют СО2 из воздуха в спирт, потом в энергию движения и опять же в СО2 – короткоживущий цикл, не затрагивающий углерод, аккумулированный миллионами лет в земной коре в виде нефти, газа и каменного угля – иными словами, некоторая разновидность солнечной энергетики. Такая схема, возможно, имеет право на жизнь в странах с большими

14

«запасами» Солнца, влаги и земли, пригодной для земледелия. А в Европе, например, уже сегодня зерновой кризис. Население же предполагает расти и расти.

Приведенные примеры должны по замыслу автора убедить читателя, что отсутствие нефти и газа не пересадит Человечество на велосипеды, а, скорее всего, заставит сжигать органику в еще большем масштабе, скорее всего, в виде угля (его хватит надолго!) и все более причудливыми способами. Следствием этого должны стать многократное усиление парникового эффекта

ите глобальные катаклизмы, о которых пишут сегодня так часто

иярко.

Рассматривая Человечество как стихийно развивающуюся популяцию живых организмов, сторонний наблюдатель констатировал бы в подобном случае, что популяция подверглась угнетению вплоть до самоликвидации, будучи отравлена продуктами своей жизнедеятельности – случай типичный для стихийных популяций живых существ. В качестве примера можно было бы привести популяцию бактерий, сбраживающих вино и погибающих в итоге под действием спирта – продукта сбраживания.

Другое дело, что Человечество не сообщество бактерий, а некий организм, обладающий коллективным разумом, наиболее убедительным проявлением которого является мировая наука, существующая над национальными, социальными и конфессиональными интересами отдельных человеческих групп.

Какие возможные выходы из создавшегося положения видятся сегодня. Во-первых, это ядерная энергетика как наиболее экологически чистый способ получения энергии и водородная технология как конкретный способ бытовой утилизации этой энергии, то есть путем превращения водорода в воду. Заметьте, что автор не отделяет при этом термоядерную энергетику от энергетики деления, полагая их составными частями единой энергетической системы. Почему, будет пояснено ниже. Но сначала несколько слов об энергетике деления, как об уже «работающей» части ядерной энергетики, обеспечивающей до 5- 10% мирового производства электричества.

15

Ядерная энергетика

«Рабочей лошадкой» современной ядерной энергетики является деление урана так называемыми медленными или тепловыми нейтронами. Напомним, о чем речь. Как известно, природный уран состоит в основном из двух изотопов – 238U (99.3%) и 235U (0.7%). Из них наибольшую ценность сегодня представляет второй. Дело в том, что он эффективно делится «холодными» нейтронами с комнатной температурой (Т=300 К ≈ 0.025 эВ). Причем, реакция деления экзотермическая (с выделением тепла) – продукты деления разлетаются с энергией примерно 150 МэВ! Мало того, при делении образуется в среднем 2.5 новых, так называемых, «быстрых» нейтронов (Е=1- 4 МэВ), которые, в принципе, могли бы стать основой следующих актов деления 235U, то есть запустить цепную реакцию. В природном уране это невозможно – основной составляющий его изотоп 238U (так называемый «отвальный уран») эффективно захватывает быстрые нейтроны и тем самым пресекает их размножение. Цепную реакцию можно осуществить двояким путем: либо простым устранением 238U (атомная бомба), либо эффективным замедлением быстрого нейтрона до того, как 238U его захватит. Захват быстрого нейтрона становится невозможен, как только его энергия упадет ниже 1МэВ, для этого в зону размещения урана вводят дополнительный замедлитель нейтронов на основе материалов с малым ядерным зарядом (атомный реактор).

Цепная реакция деления была впервые осуществлена в реакторах на природном уране с графитовым замедлителем, затем в атомной бомбе с чистым 235U и, наконец, в котлах атомных электростанций с ураном, обогащенным 235U. При этом была активно использована еще одна важная особенность урановых котлов. А именно, быстрый нейтрон, захваченный 238U, вызывает цепочку ядерных преобразований, завершающуюся возникновением изотопа плутония 239Pu, который подобно 235U допускает деление как тепловыми, так и быстрыми нейтронами с примерно тем же энергетическим эффектом. А потому может в свою очередь быть использован в атомных котлах. То есть урановая энергетика оказывается в состоянии регенерировать

16

затраченное ядерное топливо, умножая его во времени. 239Pu, полученный нейтронным облучением, оказался существенно дешевле 235U, полученного очисткой. Это свойство урана было активно использовано оборонными ведомствами, как у нас, так и за рубежом для производства сравнительно дешевых плутониевых атомных бомб. В итоге, в кратчайшие сроки были разработаны необходимые ядерные технологии, которые затем нашли широкое применение в мирной атомной энергетике. В настоящий момент технически развитые страны (например, Франция и Япония) уже производят до 70% электроэнергии с помощью реакторов деления на тепловых нейтронах.

Что выигрывается при этом? Если принять за основу сравнения стандартный станционный блок с электрической мощностью 1000 МВт, то соответствующая тепловая станция за год работы должна выбросить в атмосферу 10 000 000 т (!) углекислого газа (C02) и 200 000 т двуокиси серы (SO2), превращающуюся при контакте с водой в сернистую кислоту (кислотные дожди).

Блок в 1000 МВт электрической мощности способен обеспечить жизнедеятельность примерно 1 миллиона граждан России. Для обеспечения такого города, как Москва, требуется 7– 10 подобных станционных блоков. И к каждому из них, если топить углем, необходимо подвозить его в объеме не менее 2 700 000 т в год. С газом легче – он сам приходит по трубам, но суммарный выброс СО2 остается примерно тем же. Блоки эти уже давно стоят вокруг Москвы и даже в ее черте и активно работают. Читатель может их легко идентифицировать по громадным трубам, распускающим в морозную погоду могучие шлейфы пара на полнеба (результат сгорания углеводородов).

Количество же 235U, «сгорающего» за год в аналогичном блоке атомной станции примерно 500 кг. Правда, чистый 235U в энергетике не употребляется – только в атомных бомбах. В энергетике используется его смесь с 238U. В природном уране, как уже упоминалось, 235U всего лишь 0.7%, то есть, если атомная станция работала бы на природном уране, его потребовалось бы 70 т в год – один большегрузный автомобиль. В реальной жизни, однако, используют не природный, а слегка обогащенный уран

17

235U. Причина в том, что для осуществления цепной реакции на природном уране требуется очень прецизионный замедлитель нейтронов (тяжелая вода, сверхчистый графит), всего лишь «охлаждающий» нейтроны, но не поглощающий их. Это деликатное физическое требование в свое время лишило Гитлера атомной бомбы. Физики, оставшиеся в Германии после изгнания оттуда «ненужных» ученых, не додумались до того, что малые примеси тяжелых веществ, присутствующие в обычном графите, способны захватывать замедляемые нейтроны и тушить цепную реакцию.

Использование обогащенного урана позволяет существенно снизить требования на чистоту замедлителя и конструкционные материалы промышленного атомного реактора, то есть делает его экономически более привлекательным. Здесь, в частности, кроется главная интрига сегодняшнего атомного конфликта между США и Ираном. Иранцы явно хотят сами обогащать уран, а не покупать его под контролем МАГАТЭ «на стороне». Мировое сообщество при этом справедливо подозревает, что страна, научившаяся обогащать уран, быстро научится получать чистый 235U для создания атомных бомб и, что более опасно, извлекать из облученного урана 239Pu – основной компонент сегодняшних ядерных боеприпасов. Таким образом, регенерация ядерного топлива может иметь и свою обратную сторону – распространение ядерного оружия. Тем более, что процедура последующего извлечения 239Pu, по отзывам специалистов, близка к процедуре уранового обогащения.

Накопление радиоактивных отходов – осколков деления 235U, а также изотопов Pu, Am, Np, возникающих в процессе работы атомной станции на тепловых нейтронах и, как следствие этого, потенциальная опасность радиоактивного облучения окружающего населения в случае гипотетической аварии, вызывают традиционную критику атомной энергетики, умело поддерживаемую угольными, газовыми и нефтяными олигархами Запада.

Между тем радиационный фон вокруг атомных станций, если их не взрывают террористы или рационализаторы из обслуживающего персонала (Чернобыль), как правило, в 2-3 раза

18

ниже фона вокруг тепловых электростанций. Дело в том, что уголь и нефть, добываемые обычно на значительной глубине, имеют повышенную естественную радиоактивность. Зола, образующаяся при их сгорании, оседая вблизи тепловой станции, повышает ее радиационный фон. Впрочем, как утверждают специалисты, для здоровья окружающих подобное локальное повышение не представляет опасности.

Главный принципиальный недостаток существующей урановой энергетики в отношении долгосрочных перспектив – для нее необходим уран 235U. А его относительно мало и основные урановые месторождения расположены не там, где хотели бы индустриально развитые страны (Австралия, Африка, Азия). Подсчитано, что потенциальные энергетические запасы 235U сравнимы с нефтяными, то есть урановые реакторы на тепловых нейтронах неперспективны.

Выходом представляется атомная энергетика на быстрых нейтронах. Физической основой ее является деление 238U под действием нейтронов с энергией больше 1 МэВ, то есть в ядерных котлах без замедлителя. Тем самым открывается потенциальная возможность ввести в энергетический оборот «отвальный уран» – источник энергии, по объему в 150 раз превосходящий 235U. В нашей стране экспериментальные реакторы такого типа уже построены (опреснитель, г.Шевченко, Белоярская станция). Они продемонстрировали свою эффективность. Эти реакторы, однако, оказываются более энергонапряженными и технически сложными. Для отвода тепла, например, в них вынуждены применять жидкие металлы. Их промышленная технология находится еще в стадии становления. Замечательно, что проектируемые реакторы этого типа (например, проект «Брест», Россия) потенциально способны «сжигать» в ходе энергетического цикла все нарабатываемые радиоактивные отходы, решая тем самым основную проблему урановой энергетики. Именно с реакторами этого типа предстоит конкурировать и сосуществовать управляемому термоядерному синтезу во второй половине XXI века. Что может предложить управляемый термоядерный синтез мировой энергетике будущего?

19

Энергия из воды

Получение чего-то значительного из совсем незначительного – вековая мечта всех изобретателей и Человечества в целом. Получение энергии из воды традиционно едва ли не самое заветное желание. Тривиальное решение давно известно – водяные мельницы и гидроэлектростанции. Но это для среднего ума. Английский сатирик XVIII века Дж. Свифт, пославший своего героя Гулливера в идеальную страну Лапуту, так описывал посещение им тамошней Великой Академии:

“ …Там же я увидел другого ученого, занимавшегося пережиганием льда в порох. Он показал мне написанное им исследование о ковкости пламени, которое он собирался опубликовать…

…Я предложил профессору несколько монет, которыми предусмотрительно снабдил меня мой хозяин, хорошо знавший привычку этих господ выпрашивать милостыню у каждого, кто посещает его.“ [7]

Обратим внимание читателя на то, что Свифт «путешествовал в Лапуту» примерно за год до смерти Ньютона, то есть в те баснословные времена, когда рождалась Физика. Мало того, что он образно описал материальное состояние тогдашних ученых, очень похожее на современное в России, он же наметил и столбовой путь всех последующих пережигателей льда в порох – путем ковки пламени. Или, как сказали бы сегодня, «путем сжатия высокотемпературной плазмы». Вероятно, он очень бы удивился, узнав, что через 230 лет, двигаясь в этом направлении, лед превратили-таки в мегатонны пороха, правда, путем кардинального изменения отношения к «профессорам».

В основе современного подхода к получению энергии из «воды» лежит факт, неизвестный в ньютоновские времена. А именно, что на 7000 атомов водорода (протона), содержащихся в простой воде, приходится один атом его тяжелого изотопа – дейтерия (протон - p + нейтрон - n). Процедура извлечения дейтерия из воды сравнительно проста, а его свойства – необычны. Их уникальность состоит в том, что если два атома дейтерия сблизить почти вплотную, на расстояние масштаба 10-13

20